Simulação de Escoamentos Reativos

Apresentação em tema: "Simulação de Escoamentos Reativos"— Transcrição da apresentação:

1 Simulação de Escoamentos Reativos
AC 290 Cristiane Martins

2 Modelagem cinética química é importante nos projetos de queimadores industriais, turbinas a gás, foguetes. Seja para prever desempenho seja para emissões.

3 Combustão : termo de geração x termo de transferência
HT1, HT2, HT3, HTcrit são as retas referentes a transferência de calor Curva G refere-se ao termo de geração de calor.

4 Revendo conceitos...4 ferramentas
Os balanços materiais servem para calcular rapidamente a produção máxima de produtos. Inversamente para ser uma obtida uma dada produção permitiriam avaliar os consumos de matérias primas. A relação de equilíbrio permite fixar o máximo absoluto da conversão possível e, ao mesmo tempo julgar antecipadamente o alcance prático da reação Os dados de velocidade permitem calcular o tempo necessário para se conseguir uma conversão prefixada (menor que a do equilíbrio) ou a conversão a esperar num tempo prefixado. Finalmente os balanços de energia nos permitem calcular a extensão do aquecimento ou resfriamento a ser previsto para a operação adequada do reator.

5 Balanço Material - exemplo
CH4 + 2 (O N2)  CO2 + 2H2O N2 1 mol de CH4 produz no máximo 1 mol de CO2 fração molar CO2 = ??? 16 g g

6 Termodinâmica – máxima conversão
A termodinâmica através do equilíbrio químico nos diz que a máxima conversão possível: CH4  0,9 CO2 fração molar de CO2 igual a

7 Cinética: reator bem misturado
Atente para concentração de CO2 em tempo menor do que 0.008s

8 taxa – definição intuitiva

9 conversão – definição intuitiva

10 Reatores - tipos Pequenos reatores (batelada) Operação isotérmicac
Grandes reatores (usual contínuo) Operação não-isotérmica Em reatores grandes em geral é difícil a remoção de calor gerado pela reação. Muito mais simples impedir que calor entre ou saia do sistema (processo adiabático) Calor gerado ~ V ~ tamanho3 Calor removido ~ A ~ tamanho2 Quando maior o reator maior a relação V/A, tornando mais difícil remover calor gerado.

11 Batelada x Contínuo Freqüentemente, a decisão para selecionar um modo de processamento batelada ou contínuo, envolve a determinação da contribuição relativa das despesas de capital e despesas operacionais para o custo total do processo para o nível de capacidade proposto. O que é melhor para um país altamente industrializado, com custos mais altos de mão-de-obra, não necessariamente é o melhor para um país menos desenvolvido.

12 No reator batelada simples, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator, mas variam com o tempo. O reator tanque agitado, pode também ser operado de forma semibatelada. Neste modo, o tanque é parcialmente preenchido com reagente(s) e reagente(s) adicionais são adicionados progressivamente até a composição desejada ser atingida. Alternativamente, pode-se carregar todos os reagentes de uma única vez e continuamente remover os produtos quando eles vão sendo formados. Dentro do reator tanque continuamente agitado (CSTR), o reator tanque é continuamente suprido com a alimentação ao mesmo tempo em que igual volume é descarregado de forma a manter constante o nível dentro do tanque. A composição da corrente efluente é idêntica aquela que permanece dentro do tanque.

13 Reator bem misturado Reagentes a T0 são alimentados no reator, qual a temperatura de state steady e qual a composição da saída?

14 Reator Tubular Ideal (PFR)
É aquele no qual elementos de fluido reagentes (plugs) movem-se através de um tubo, como plugs movendo paralelo ao eixo do tubo. Este modelo de fluxo é referido como plug flow ou fluxo empistonado. O perfil de velocidade em uma dada seção transversal é achatado e assume-se que não existe difusão axial ou mistura de elementos de fluido. As variáveis como temperatura e composição variam com a posição ao longo do comprimento do reator.

15 PFR – Plug Flow Reactor Fluxo de entrada e saída iguais
Sem mistura longitudinal Somente mistura radial Fluxo é uniforme em todos os pontos

16 Plug Flow – Balanço de massa

17 Plug Flow – balanço de massa

18 CSTR x PFR

19 Plug Flow Quando o fluido se move através de um tubo ou canal largo com Reynolds suficientemente largo, se aproxima de um plug flow, o que significa que não existe variação da velocidade axial sobre a seção transversal, ou seja não existe nenhum gradiente de concentração ou temperatura na coordenada radial.

20 Processo exemplo-

21 Processo exemplo (cont)

22 PFR - Variação axial nas propriedades do fluxo (p, T, Yi, etc.)
Nenhuma variação radial

23 PFR O reator tubular é assim chamado devido a sua configuração física, tal que a reação ocorre dentro de um tubo ou comprimento de tubo. Pode-se usar tanto no caso onde o tubo é empacotado com um catalisador sólido e no caso onde a fase fluida sozinha está presente.

24 PFR - tipos A maioria dos reatores tubulares são classificados em três principais categorias: 1. tubo simples 2. trocadores de calor casco-tubo 3. fornos tubulares, onde os tubos são expostos à radiação térmica e transferência de calor a partir de gases de combustão. O tubo simples é utilizado quando não se necessita de eficiente troca térmica e os trocadores casco-tubo ao contrário, podendo a reação ocorrer tanto dentro do tubo, quanto fora, no casco. Os fornos tubulares são utilizados somente para reações endotérmicas.

25 Comandos – dimensões do reator
DIAM XEND XSTR

26 Comandos – tipo de reator
ADIA HEAT ISO QFIX TFIX

27 Comandos – parâmetros do processo
BIGU BULK MASS MOLE PRES REAC SURF TEMP TINF VDOT VEL VIS

28 Comandos – parâmetros das soluções
ACHG ATOL DX END NNEG PSV RCHG RTOL SIZE TSTP

29 Experimentos são conduzidos em um reator tipo Tubular na determinação da oxidação do n-heptano.Nestes experimentos N2 entra com velocidade de 25 cm/s aquecido com temperatura inicial de 800 K. Dentro deste fluxo aquecido de N2, uma mistura vaporizada estequiométrica de nC7H16 e O2 é injetada. A fração molar do combustível é de 800 ppm. O diâmetro do reator é de 10 cm e o comprimento 100 cm. Para uma temperatura inicial de 800 K, plote T, C7H16, CO2, CO, H2O, CH2O, C2H6, C2H4 e C2H2 vs distância no fluxo do reator. c) Repita calculos para f=1.5 e f=0.5. Mantenha a fração molar inicial de combustível igual a 800 ppm. Utilize o mecanismo reduzido de Pitz para n-heptano Varie a Temperatura inicial para 850, 1000 e 1200 K.

30 Problema Experimentos são conduzidos em um reator tipo Tubular na determinação da oxidação etanol. A mistura estequiométrica entra com velocidade de 25 cm/s aquecido com temperatura inicial de 800 K. O diâmetro do reator é de 10 cm e o comprimento 100 cm. Para uma temperatura inicial de 800 K, plote T, C7H16, CO2, CO, H2O, CH2O, C2H6, C2H4 e C2H2 vs distância no fluxo do reator.

31 Problema 3 - Examine o plug flow para CO/H2/O2/N2 CO/H2 (10:1)
tempo de residência – diminui com a velocidade

32 Turbinas_considerações

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34 Voltando no tempo.... Na história de conversão de energia, a turbina a gás é relativamente nova. A primeira turbina utilizada para geração de eletricidade ocorreu em Neuchatel, Suíça, 1939, desenvolvida pela Brown Boveri Company. O primeiro vôo utilizando turbina a gás ocorreu na Alemanha também em 1939, com turbina desenvolvida por Hans P. von Ohain. Paralelamente, Frank Whitte na Inglaterra inventou e desenvolveu turbina para aeronave nos anos de 1930, mas seu primeiro vôo ocorreu somente em 1941.

35 turbina a gás?? turbojato??turboeixo??
Como a turbina a gás se desenvolveu ao mesmo tempo tanto no campo da aviação quanto para geração de energia existiu uma proliferação de diferentes nomes. Para geração de energia elétrica e aplicações náuticas, são geralmente conhecidas como turbina a gás, motor turboeixo e também motor turbina a gás. Em aplicações aeronáuticas usualmente são conhecidas como motor a jato, e vários outros nomes dependendo da configuração particular ou aplicação, tais como: motor turbina a jato, turbojato, turbofan, turboprop (se com hélice). Atenção: ‘’Turbina a gás’’, um pouco enganoso, não significa que o combustível utilizado seja gasoso. O conjunto compressor-combustor-turbina da turbina a gás (Fig. 1) é comumente denominado gerador de gás.

36 Revendo conceitos.... Turbina a gás (mostrada ao lado) tem um compressor para comprimir o gás succionado (usualmente ar); um combustor (ou queimador) para adicionar ‘energia’ ao ar pressurizado; e uma turbina para extrair energia proveniente do gás aquecido. A turbina a gás é uma máquina de combustão interna que utiliza processo de combustão contínua. Isto difere do motor a pistão onde a combustão é intermitente. Figura 1: Diagrama esquemático A) motor a jato aeronáutico; B) uma turbina a gás (para uso em terra e em turbohélice)

37 Figura 2a. Diagrama volume-pressão do ciclo Brayton para uma unidade de massa de fluido de trabalho (ar, por exemplo) mostrando entradas e saídas de trabalho (W) e calor (Q). Figura 2b. Esquema da turbina mostrando pontos relativos ao ciclo Brayton do diagrama da Figura 2a.

38 TURBINA TÍPICA

39 STG-700 (29 MW, Siemens) Equivalent Operating Hours (EOH), baseada no tipo de combustível, carga e ciclos. Inspeção com boroscópio é feita a cada EOH (turbina estacionária)

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41 Esquema de um motor turboeixo

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43 Rover 1S/60

44 Rover 1S/60 0 – garganta do medidor de ar 1 entrada do compressor;
2 saída do compressor; 3 dentro da câmara de combustão; 4 bocal de entrada da turbina; 6 saída da turbina (imediatamente após as lâminas do rotor); 7 escapamento (saída do motor).

45 Rover 1S/60 e Dinamômetro Source:

46 Rover 1S/60 – Parte 1 – entrada de ar

47 Rover 1S/60– Parte 2 – Compressor
A turbina Rover 1S/60 possui um compressor centrifugo de um estagio com uma razão de pressão nominal de 2,8:1 e um fluxo mássico de ar de cerca de 0,83Kg/s

48 Difusor A função do difusor é reduzir a velocidade do ar de entrada da câmara de combustão para um valor no qual a perda de pressão seja aceitável mas também para recuperar tanto quanto seja possível a pressão dinâmica, assim como tornar o fluxo no liner estável e homogêneo.

49 Rotor – parte fixa Impelidor Rover 1S60 Rotor
Notar que as pás de um compressor centrífugo são inicialmente curvadas de forma que o escoamento entre suavemente no impelidor. A velocidade total na saída do impelidor á a soma vetorial da velocidade com que o escoamento entra no compressor com a velocidade tangencial da ponta do impelidor (u), descontadas as perdas devido o atrito. Impelidor Rover 1S60 Rotor

50 Rover 1S/60– Parte 3 – Combustor
Outer Casing A chama (reação de combustão) está confinada ao interior de um revestimento metálico (metal liner) perfurado que se encontra montado dentro da armação exterior (outer casing). O escoamento do ar entre a armação exterior e o revestimento metálico, mantém o metal dentro de temperaturas consideradas aceitáveis Metal liner

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53 Rover 1S/60– Parte 3 – Combustor (cont)
Distribuições típicas do escoamento de ar, nas zonas primária e de diluição.

54 Rover 1S/60– Parte 3 – Combustor (cont)

55 Rover 1S/60– Parte 4 – Turbina

56 Rover 1S/60 – Parte 5 - Eixo

57 Rover 1S/60 – Parte 6 – Duto de Exaustão

58 O ar sobe após o compressor, reverte sua direção e ingressa na câmara de combustão, tanto na zona primária quanto na secundária. Após a combustão, o escoamento passa pela turbina, gerando potência, e segue diretamente para o duto de exaustão. Caminho superior do ar ate a entrada do exaustor No caminho inferior, o ar proveniente do compressor sofre uma sangria, para o caso da necessidade de se acionar de forma pneumática algum equipamento que não esteja acoplado ao eixo da turbina, e segue diretamente para o canal de exaustão. Caminho inferior do ar até a entrada do exaustor

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